La sincronización de generadores es el proceso de adaptar la salida de un generador a los parámetros eléctricos de otra fuente de energía (como una red eléctrica u otro generador) antes de conectarlos. En sistemas de energía industriales y comerciales, varios generadores suelen operar en paralelo (también llamado conexión en paralelo de generadores ) para aumentar la capacidad, mejorar la confiabilidad o facilitar el mantenimiento. Sin embargo, la conexión en paralelo de generadores solo es posible cuando todas las unidades están correctamente sincronizadas, lo que significa que sus voltajes, frecuencias y relaciones de fase se alinean dentro de tolerancias estrictas. Este artículo proporciona una descripción técnica detallada de la sincronización de generadores, que abarca su funcionamiento, por qué es crucial para los sistemas de energía, los métodos y equipos utilizados, las condiciones necesarias, las consecuencias de las fallas y las respuestas a preguntas frecuentes. Los ingenieros y diseñadores de sistemas de generadores de energía obtendrán una comprensión integral de los requisitos de sincronización y las mejores prácticas.
La sincronización del generador se refiere a la coordinación de los parámetros eléctricos clave de un generador con los de un sistema eléctrico activo para que puedan conectarse entre sí de forma segura. En la práctica, esto significa garantizar que la tensión, la frecuencia y el ángulo de fase del generador (y, en el caso de sistemas trifásicos, la secuencia de fases ) coincidan con el sistema al que se conectará. Cuando dos generadores de CA o un generador y la red están sincronizados, sus formas de onda de tensión alterna suben y bajan al unísono, convirtiéndose en una sola fuente. Si no están sincronizados y conectados, se generarán grandes corrientes de falla debido a las diferencias, lo que podría causar graves daños a los equipos.
Ilustración de dos formas de onda de tensión CA (azul para el bus de referencia, rojo para el generador de entrada) con diferencia de fase. Para sincronizar, la frecuencia y la fase del generador de entrada deben ajustarse de modo que ambas formas de onda estén alineadas (diferencia de fase cero). Incluso una desalineación de fase de 30° puede causar altas corrientes transitorias si el interruptor se cierra en ese instante.
En esencia, la sincronización consiste en ajustar el generador de entrada al sistema en funcionamiento . Los principales parámetros a ajustar son:
Frecuencia (velocidad): La frecuencia del generador (determinada por la velocidad del motor y los polos del alternador) debe ser igual a la frecuencia del sistema (por ejemplo, 60 Hz o 50 Hz). Cualquier diferencia en la frecuencia significa que el ángulo de fase entre las fuentes cambia constantemente.
Magnitud de la tensión: La tensión eficaz (RMS) del generador debe ser igual a la tensión del bus (con una pequeña tolerancia, normalmente un pequeño porcentaje de diferencia como máximo). Una discrepancia de tensión puede causar altas corrientes reactivas o perturbaciones de tensión al conectarlos en paralelo.
Ángulo de fase: El ángulo de fase relativo entre la forma de onda de voltaje del generador y la forma de onda de voltaje del sistema debe ser lo más cercano a cero posible al momento de cerrar la conexión. Un ángulo de fase cero significa que las formas de onda están en fase (picos y cruces por cero alineados).
Secuencia de fases: En generadores trifásicos, la rotación de fases (orden de las fases A, B, C) debe ser idéntica. Una secuencia de fases no coincidente (p. ej., ABC vs. ACB) equivale a un desfase de 120° entre dos fases, lo cual es inaceptable.
Solo cuando se cumplen estas condiciones se considera que un generador está sincronizado con el sistema, y se puede cerrar un disyuntor para conectarlos. La sincronización eficaz permite que varios generadores funcionen como una sola fuente, compartiendo la carga del sistema eléctrico. Sin una sincronización adecuada, un generador no puede suministrar energía a una red eléctrica sin causar perturbaciones ni daños.
Cómo funciona la sincronización del generador
La sincronización de generadores implica controlar la velocidad y el voltaje de la unidad de entrada, así como temporizar el cierre del interruptor, de modo que todos los parámetros coincidan al instante de la conexión. Consideremos el caso de añadir un generador de reserva a una barra energizada (o un segundo generador a una que ya esté en funcionamiento):
Ajuste de frecuencia (control de velocidad): El motor principal del generador (motor o turbina) se acelera o desacelera hasta que su frecuencia iguala la frecuencia de la barra colectora. En la práctica, los operadores ajustan el punto de ajuste del regulador o la válvula reguladora. Si el generador funciona ligeramente más lento o más rápido que el sistema, el ángulo de fase entre ambos se desviará. El objetivo es lograr un deslizamiento cero (diferencia de velocidad) en el momento del cierre, o un deslizamiento mínimo para que la alineación de fase se produzca justo cuando se cierra el interruptor. Los reguladores digitales modernos suelen contar con un control de frecuencia preciso para lograrlo.
Tensión de coincidencia (Control de excitación): La tensión de salida del generador se eleva o disminuye ajustando la excitación del alternador (mediante el Regulador Automático de Tensión, AVR). La tensión del generador debe coincidir en magnitud con la tensión del bus. Si las tensiones difieren, se producirá una sobretensión reactiva al conectarla: la fuente de mayor tensión alimentará vars a la de menor tensión, lo que podría disparar los relés de protección o provocar fluctuaciones de tensión.
Alineación de fase: Incluso con la misma frecuencia, las formas de onda sinusoidales podrían no estar en fase en un instante dado. El operador o el sistema de control monitorea la diferencia de fase. Si el generador tiene exactamente la misma frecuencia, la diferencia de fase se mantiene constante. A menudo, el generador de entrada se ajusta para funcionar ligeramente más rápido que la barra colectora (una pequeña frecuencia de deslizamiento positiva). Esto provoca que la fase del generador avance lentamente con respecto a la barra colectora. El interruptor se cierra entonces en el momento preciso en que las dos formas de onda se alinean (ángulo de fase ~0°). Esta técnica garantiza que, si hay un pequeño error de frecuencia, el generador no permanezca desfasado por mucho tiempo; barre la alineación de fase y se cierra en el instante correcto.
Comprobación de sincronización y cierre del interruptor: Finalmente, cuando la frecuencia, el voltaje y la fase se encuentran dentro de las tolerancias de sincronización aceptables, se realiza la conexión. Esto puede hacerse manualmente por un operador observando los instrumentos o automáticamente por un dispositivo sincronizador. Idealmente, el interruptor se cierra cuando el ángulo de fase es lo más cercano posible a cero para evitar transitorios. Cualquier pequeña diferencia restante al cierre resultará en un pequeño intercambio de potencia (por ejemplo, el generador entrante podría tomar momentáneamente algo de potencia motriz o inmediatamente tomar algo de carga) para alcanzar el equilibrio con el sistema.
Una vez conectado el generador, este se sincronizará automáticamente y compartirá la carga con la otra fuente. En ese momento, el regulador y el regulador automático de voltaje (AVR) del generador suelen cambiar a la configuración de caída de voltaje para mantener una distribución de carga estable (esto se explica más adelante). Para que todo esto funcione, se utilizan equipos especializados para medir las diferencias y ayudar al operador o al sistema de control a cerrar el interruptor en el momento oportuno.
En los sistemas de energía modernos, la sincronización a menudo se realiza de forma automática. Los módulos de control digital de generadores (de fabricantes como Cummins PowerCommand, Woodward, DEIF, etc.) pueden controlar la velocidad y la excitación del motor y emitir la orden de cierre una vez que se cumplen las condiciones de sincronización. Estos controles monitorean continuamente la diferencia de frecuencia (tasa de deslizamiento), voltaje y fase. Algunos sistemas incluso calculan un ángulo avanzado para disparar el interruptor un poco antes de la alineación perfecta, considerando el tiempo de cierre del interruptor, de modo que, para cuando los contactos se tocan, el ángulo de fase es casi cero. Este nivel de precisión es difícil de lograr manualmente, especialmente en generadores grandes, por lo que los sincronizadores automáticos son comunes en las instalaciones modernas.
Por qué la sincronización de generadores es crucial en los sistemas eléctricos
La sincronización correcta es fundamental cuando varias fuentes de alimentación de CA funcionan en paralelo. Las principales razones incluyen:
Cómo evitar daños eléctricos: Si un generador se conecta desincronizado (sin coincidencia de frecuencia o fase), la diferencia de fase se convierte en una falla a corto plazo. Las dos fuentes se enfrentarán, generando una sobretensión elevada. Esto puede fundir fusibles, disparar interruptores o incluso dañar bobinados y transformadores. Solo sincronizando primero podemos evitar estas corrientes circulantes destructivas.
Protección mecánica: Un generador sincronizado desfasado experimentará un choque de par repentino. El rotor de la máquina se sincronizará bruscamente con la red en una fracción de segundo, lo que impone una tensión mecánica extrema al eje, los acoplamientos y el motor primario. Se sabe que grandes desajustes de ángulo o velocidad al cerrar doblan los ejes o cortan las chavetas. Incluso si no se produce ninguna rotura inmediata, estos transitorios pueden causar daños por fatiga acumulativa en los álabes de la turbina, los cigüeñales y los cojinetes. Una sincronización correcta previene estos transitorios mecánicos repentinos al garantizar que la máquina esté prácticamente sincronizada antes de la conexión.
Reparto estable de carga: En una central eléctrica multigenerador o una instalación industrial con varios generadores, la sincronización les permite compartir la carga eléctrica sin problemas. Si cada generador no está sincronizado, no pueden mantener una distribución constante de la carga; uno sobrevelocidad mientras el otro se ve limitado, lo que provoca inestabilidad o cortes de suministro. Sin embargo, los generadores sincronizados pueden dividir sin problemas la demanda de kW y kVAR entre sí según sus reguladores y ajustes del regulador automático de voltaje (AVR), manteniendo el sistema general estable y la frecuencia/tensión dentro de los límites.
Prevención de apagones y disparos de equipos: Muchos relés de protección se instalan para evitar desincronizaciones. Por ejemplo, un relé de verificación de sincronismo (ANSI 25) bloqueará el cierre del interruptor si los parámetros están fuera de los límites. Si un interruptor se cerrara desincronizado (debido a un error del operador o una falla del dispositivo), protecciones como los relés de potencia inversa (ANSI 32) o la protección diferencial pueden desconectar el generador casi instantáneamente. Si bien esto protege el equipo, también significa que el generador no puede conectarse para apoyar el sistema, lo que podría provocar cortes de energía o apagones. Por lo tanto, una sincronización correcta es crucial para garantizar la continuidad del suministro eléctrico sin que se disparen los dispositivos de seguridad.
Gestión de energía eficiente y confiable: En aplicaciones comerciales e industriales, el uso de múltiples generadores sincronizados (en lugar de una sola unidad grande) proporciona redundancia y flexibilidad: un generador puede desconectarse para mantenimiento mientras otros soportan la carga, o se pueden arrancar unidades adicionales durante los picos de demanda. Esta estrategia de operación en paralelo solo funciona con una sincronización adecuada; sin ella, los generadores no podrían operar juntos de forma confiable. En instalaciones como hospitales, centros de datos o plantas de fabricación, esta confiabilidad suele ser obligatoria. Por ejemplo, las transferencias de transición cerrada (donde un generador de respaldo se conecta momentáneamente en paralelo con la red eléctrica para evitar interrupciones del suministro) requieren una sincronización estricta para cumplir con las normas regulatorias y evitar cualquier perturbación durante la transferencia.
En resumen, la sincronización de generadores es fundamental para la operación segura y eficiente de sistemas eléctricos con múltiples fuentes. Garantiza que se pueda añadir o retirar energía del sistema sin causar daños, lo que permite redundancia, escalabilidad y estabilidad en la generación de energía.
Métodos de sincronización de generadores
A lo largo de los años, los ingenieros han desarrollado diversos métodos y herramientas para sincronizar generadores. Estos abarcan desde técnicas totalmente manuales hasta sofisticados sistemas de control automático. El objetivo de cada método es el mismo: ajustar las condiciones del generador de entrada y cerrar el interruptor en el momento oportuno. A continuación, se presentan los métodos y equipos comunes utilizados para la sincronización de generadores:
Sincronización manual (a ojo y a mano)
En la sincronización manual tradicional, un operador experto realiza la sincronización observando los instrumentos y controlando manualmente el generador. Los pasos clave en la sincronización manual incluyen ajustar el acelerador y el voltaje, y decidir cuándo cerrar el interruptor. Históricamente, los operadores utilizaban indicadores luminosos y medidores analógicos para evaluar la sincronización:
Método de tres lámparas: Una de las técnicas más antiguas utiliza bombillas incandescentes conectadas entre el generador y las terminales de la barra colectora en una configuración específica. Por ejemplo, una configuración común utiliza dos lámparas conectadas entre el generador y la barra colectora en dos fases (por ejemplo, Fase A con Fase A y Fase C con Fase C), y una tercera lámpara conectada en cruz (Fase B del generador con Fase A de la barra colectora). A medida que la tensión del generador entra en fase con la barra colectora, la intensidad de las lámparas disminuye. Cuando las tres lámparas se apagan simultáneamente, indica que las tensiones están en fase (sin diferencia entre ellas). Si las lámparas están completamente encendidas, el generador está desfasado 180° con respecto a la barra colectora. El operador ajustaría la velocidad según sea necesario para reducir o acelerar la frecuencia de parpadeo de las lámparas (lo que indica la frecuencia de deslizamiento) y cerraría el interruptor en el momento en que se apaguen. Este método es sencillo y no requiere instrumentos especiales, pero puede ser difícil determinar el momento exacto de sincronía, especialmente con luz ambiental intensa o con pequeños errores de ángulo de fase.
Instrumento Sincronoscopio: Un sincronoscopio es un instrumento analógico especializado que muestra directamente la diferencia de fase y la frecuencia relativa entre el generador de entrada y el sistema. Generalmente tiene un dial con un puntero que gira. La dirección de rotación muestra si el generador está funcionando más rápido o más lento que el sistema (p. ej., el puntero girando en sentido horario podría indicar que el generador está funcionando rápido con respecto al bus). Cuando el puntero está en la posición de las 12 en punto, significa que los ángulos de fase están alineados (diferencia cero). Un operador que usa un sincronoscopio ajustará la velocidad del generador hasta que el puntero gire muy lentamente (lo que indica una pequeña frecuencia de deslizamiento) y luego iniciará el cierre del interruptor justo cuando el puntero alcance la parte superior (diferencia de fase de 0°). El sincronoscopio suele tener marcas como “Lento” y “Rápido” para guiar los ajustes. A diferencia del método simple de la lámpara, un sincronoscopio proporciona una indicación más clara del adelanto/retraso de fase y la tasa de cambio, lo que mejora la precisión de la sincronización manual.
La sincronización manual con estas herramientas requiere capacitación y buen juicio. El operador debe anticipar el tiempo de cierre del interruptor (a menudo con algunos ciclos de retraso) y cerrarlo ligeramente antes de la alineación de fase exacta, de modo que, cuando los contactos del interruptor se toquen, el generador y la barra estén en fase. En las centrales eléctricas más antiguas, esto se conoce como la técnica de “sincronización de oído y vista”. Si bien son eficaces, los métodos manuales requieren mucha mano de obra y son propensos a errores humanos si no se aplican con cuidado.
Un medidor de sincronoscopio clásico de General Electric. La aguja gira para indicar la diferencia de fase entre el generador y la barra colectora. El operador ajusta la velocidad del generador para que la aguja se mueva lentamente hasta la posición de las 12 en punto (diferencia de fase cero) y, una vez alineado, cierra el interruptor. Los sincronoscopios facilitan enormemente la sincronización manual, ya que indican si el generador entrante es rápido o lento en relación con el sistema.
Sincronización automática (Sincronizadores automáticos)
La mayoría de los sistemas de generadores modernos utilizan equipos de sincronización automática para realizar el proceso con precisión y repetibilidad. Un sincronizador automático es esencialmente un controlador o relé que se encarga de ajustar la velocidad y el voltaje, y de cerrar el interruptor en el momento preciso.
Controladores de sincronización automática: Dispositivos de empresas como Woodward (p. ej., controladores MSLC), DEIF, Basler, ComAp y controles de generadores internos (Cummins PowerCommand, CAT EMCP, Kohler Decision-Maker, etc.) pueden realizar la sincronización automática. Estos dispositivos miden continuamente la tensión de entrada del generador y la tensión del bus. Envían señales al regulador del generador para aumentar o reducir ligeramente la velocidad y al regulador automático de voltaje (AVR) para ajustar la tensión, llevando el generador a los valores de ajuste requeridos. Una vez que la frecuencia y la tensión se encuentran dentro de un rango preestablecido y el ángulo de fase se aproxima a cero, el controlador emite una orden de cierre al interruptor. Muchas unidades de sincronización calculan un ángulo de avance ; por ejemplo, si el mecanismo de cierre del interruptor tarda, digamos, 100 milisegundos, la unidad iniciará el cierre cuando el ángulo de fase esté unos grados por debajo de cero, de modo que durante esos 100 ms el generador se “alcance” y esté exactamente en fase cuando el interruptor se cierra. Esta técnica garantiza un cierre casi perfecto en todo momento, algo muy difícil de lograr manualmente. La precisión de sincronización de los sistemas automáticos suele estar dentro de unos pocos grados eléctricos y unas pocas décimas de Hz o un porcentaje de voltaje, dentro de límites de seguridad.
Paneles de Paralelismo (Sincronismo): En instalaciones con varios generadores, suele haber un cuadro de distribución o panel de control dedicado para el paralelismo . Estos paneles incorporan módulos sincronizadores, relés de verificación de sincronización y circuitos de control de interruptores para cada generador. El panel puede permitir modos de sincronización tanto automáticos como manuales. Por ejemplo, una configuración típica consiste en que el controlador de cada generador gestione la sincronización automáticamente, pero el cuadro de distribución también cuenta con un relé de verificación de sincronismo (ANSI 25) que actúa como dispositivo permisivo: solo permite el cierre del interruptor si la tensión, la frecuencia y la fase se encuentran dentro de los límites prescritos (lo que añade un nivel de seguridad). Los paneles de paralelismo también incluyen controladores de reparto de carga que toman el control una vez conectados los generadores, ajustando el combustible de cada motor para compartir la carga en kW y la excitación para compartir la carga reactiva (kVAR) entre las unidades. Todos estos sistemas funcionan en conjunto con la sincronización. Anteriormente, se requerían complejos cuadros de distribución de terceros con una extensa lógica de relés, pero hoy en día muchos fabricantes de generadores ofrecen soluciones integradas de paralelismo donde las funciones de sincronización y reparto de carga están integradas en el controlador del generador. Esto simplifica enormemente la configuración: el usuario puede simplemente habilitar el paralelismo de los generadores y los controladores se encargan del resto, coordinándose mediante una red o líneas analógicas de reparto de carga.
Relés de verificación de sincronismo: Incluso con sincronización automática, suele haber un relé de protección, conocido como comprobador de sincronismo (dispositivo 25), como respaldo. Su función es verificar que las condiciones sean aceptables justo antes del cierre del interruptor (o incluso inmediatamente después, en caso de un cierre muy rápido). Si el sincronizador automático falla o se produce una desviación, el relé de comprobación de sincronismo impedirá el cierre o abrirá el interruptor inmediatamente si el ángulo u otros parámetros están fuera de rango. Los ajustes típicos de un relé de comprobación de sincronismo podrían ser, por ejemplo: diferencia de ángulo de fase inferior a 10°–20°, diferencia de frecuencia inferior a 0,1–0,2 Hz y diferencia de tensión entre el 2% y el 5%. Esto garantiza que incluso un cierre en el peor de los casos no sea demasiado brusco. Los relés digitales modernos también pueden supervisar la frecuencia de deslizamiento para garantizar que el interruptor no se cierre si la fase se desvía demasiado rápido (lo que implica un desajuste de frecuencia).
En los sistemas automáticos, la función del operador humano es principalmente de supervisión: habilitar la secuencia y supervisar su correcto desarrollo. La automatización gestiona la sincronización con mucha mayor precisión. Esto reduce el error humano y permite una rápida sincronización de múltiples generadores (importante en situaciones de arranque de emergencia, donde los generadores deben entrar en funcionamiento en segundos). La sincronización automática es estándar tanto en centrales eléctricas como en grandes sistemas de generadores de reserva.
Otras consideraciones y métodos avanzados
Conexión en paralelo de bus inactivo: Si el bus de potencia está desenergizado (inactivo), el primer generador en arrancar puede conectarse al bus sin necesidad de conectar otra fuente (ya que no hay tensión en el bus). Esto se denomina “conexión en un bus inactivo” y técnicamente no requiere sincronización; simplemente se arranca el generador y se cierra su interruptor, energizando el bus. Sin embargo, cuando se incorpora un segundo generador, se requiere la sincronización normal con el bus activo desde la primera unidad. Algunos esquemas de control cuentan con un “arbitraje de bus inactivo” automático, donde el primer generador en alcanzar la tensión toma el bus, y los demás esperan y se sincronizan con él.
Sincronización inversa: En algunos casos, se puede usar un generador para sincronizar una barra con un sistema en funcionamiento (por ejemplo, al reenergizar una sección de la red, se podría usar un generador para sincronizar la red inactiva antes de conectarla a la red principal). Este es un escenario más complejo, que suelen gestionar las operaciones de transmisión de las compañías eléctricas y que queda fuera del alcance de la mayoría de las instalaciones de conexión en paralelo de generadores, pero sigue los mismos principios: controlar la tensión y la frecuencia de un lado para que coincidan con la del otro antes de cerrar los interruptores de enlace.
Verificaciones de la secuencia de fases: Los sincronizadores y relés modernos suelen incluir verificaciones de la rotación de fases. Al instalar varios generadores o un generador nuevo, es importante verificar la coincidencia de las secuencias de fases (a menudo mediante medidores de rotación de fases o simplemente midiendo la fase con un voltímetro). Si la secuencia de fases es incorrecta, ninguna coincidencia de frecuencia/tensión sincronizará los sistemas; primero se deben intercambiar las conexiones de dos cables para corregir la rotación. En la sincronización manual con lámparas, un indicador de una secuencia de fases incorrecta es que las lámparas no se apagan juntas, sino una a una en sucesión (apagado continuo), lo que indica que las fases del generador están en un orden diferente al del bus.
Requisitos y condiciones para la sincronización
Para una sincronización exitosa de los generadores, se deben cumplir ciertas condiciones. Estas se conocen como condiciones de sincronización o criterios de aceptación, que deben cumplirse antes de cerrar el interruptor de paralelismo. A continuación, se presenta un resumen de los requisitos clave y los límites típicos aceptables:
| del parámetro | para la sincronización |
|---|---|
| Frecuencia | Debe coincidir con la frecuencia del sistema. Se permite una pequeña diferencia (deslizamiento) para posicionar el ángulo de fase para el cierre, pero normalmente dentro de ±0,1 a 0,2 Hz del objetivo. En la práctica, muchos sistemas buscan< Diferencia de 0,05 Hz al cierre. |
| Magnitud del voltaje | La tensión del generador debe ser igual a la tensión del bus con una diferencia de un pequeño porcentaje. A menudo, con una diferencia de ±5 % o inferior (algunas normas utilizan ±3 % como guía). Una diferencia de tensión demasiado alta provoca sobretensiones reactivas. |
| Ángulo de fase | Debe estar cerca de 0° en el momento del cierre del interruptor. Los ajustes comunes de los relés permiten el cierre por debajo de una diferencia de fase de 10° o 15°, pero el objetivo ideal es esencialmente 0°. Cuanto más cerca de cero, menor es el transitorio. Los interruptores de transferencia de transición cerrada, por ejemplo, requieren…< Error de fase de 5°. |
| Secuencia de fases | Deben ser idénticos (p. ej., la rotación de fase ABC coincide con la ABC en el bus). Sin tolerancia: si no coinciden, las conexiones deben corregirse antes de la sincronización. |
| Forma de onda | En los generadores de CA, la forma de onda debe ser similar (onda sinusoidal, baja distorsión armónica). Esto suele ser inherente al diseño (la mayoría de los alternadores grandes utilizan un devanado de paso 2/3 para minimizar los armónicos triples). Las formas de onda dispares pueden causar corrientes armónicas circulantes, aunque esto rara vez supone un problema con generadores modernos de diseño similar. |
Además de lo anterior, el equilibrio de fase de voltaje entre fases también debe ser normal en ambos lados (por ejemplo, evitando conectar una fuente con un desequilibrio severo). Sin embargo, en la práctica, la sincronización se centra en los factores principales de frecuencia, voltaje y temporización de fase.
Antes de intentar la sincronización, los operadores normalmente verifican estas condiciones utilizando su sistema de control o instrumentos:
Lista de verificación: Generador a velocidad y voltaje nominales, rotación de fase correcta verificada, regulador en modo correcto (generalmente modo de caída o un modo de sincronización especial para permitir un ajuste fino de la velocidad), AVR en automático y ajustado, sin alarmas y relé de verificación de sincronización habilitado.
Ventana de sincronización: El relé de verificación de sincronismo o el sincronizador automático tendrá una ventana de cierre admisible. Por ejemplo, un relé podría configurarse para que solo permita el cierre si la diferencia de frecuencia es inferior a 0,1 Hz, la diferencia de tensión inferior al 3 % y el ángulo de fase está dentro de los 10°. Estos ajustes se eligen en función del tamaño del sistema y la robustez del equipo. Un generador pequeño en una red grande y rígida podría requerir ajustes más estrictos (para evitar corrientes elevadas), mientras que dos generadores de tamaño similar que compartan carga podrían tolerar un ángulo ligeramente mayor, ya que ambos se ajustarán entre sí al conectarse.
Cumplir con todas las condiciones no garantiza la ausencia total de perturbaciones, pero sí garantiza que cualquier transitorio sea mínimo y se encuentre dentro de los límites de diseño del equipo. Como referencia, la norma IEEE 67 y otras directrices de la industria recomiendan mantener la tensión de sincronización (resultante de la diferencia) a un nivel que limite el par mecánico y la tensión eléctrica. Un informe del IEEE indicó que a menudo se requiere un ángulo de fase inferior a 10° al cierre para mantener bajas las tensiones torsionales y eléctricas durante los eventos de sincronización. La diferencia de tensión también debe ser pequeña, ya que una tensión más alta en un lado impulsará una descarga de potencia reactiva al otro al cerrar, lo que puede afectar la estabilidad de la tensión del sistema.
Consecuencias de una sincronización defectuosa
No sincronizar correctamente los generadores antes de conectarlos puede tener graves consecuencias, tanto inmediatas como a largo plazo. Algunas de las posibles consecuencias de una sincronización defectuosa incluyen:
Grandes sobretensiones: Si el generador está desfasado con respecto al sistema al conectarlo, es similar a crear un cortocircuito entre dos fuentes de tensión. Se producirá una sobretensión masiva a medida que la salida del generador intenta alinearse instantáneamente con el sistema. Esta sobretensión puede ser varias veces superior a la corriente a plena carga del generador. Estas altas corrientes pueden fundir fusibles o activar los relés de sobrecorriente instantáneamente. Incluso los interruptores de acción rápida pueden sufrir tensión o daños en los contactos debido a la corriente de falla. En este caso, los equipos sin protección pueden sufrir daños graves por las fuerzas electrodinámicas y el sobrecalentamiento.
Choque mecánico y daños: El rotor del generador experimentará un par de aceleración o desaceleración repentino si la sincronización está desactivada. Por ejemplo , si el generador era un poco lento (retrasado en fase) y se conectó, la red hará que el rotor del generador entre en sincronía, acelerándolo bruscamente. Esto puede torcer físicamente el eje del generador y el acoplamiento. Las ocurrencias repetidas pueden fatigar las piezas metálicas. En casos extremos (como diferencias de ángulo de fase muy grandes, por ejemplo, cerca de 180°), el par es comparable a una condición de cortocircuito en el generador, suficiente para agrietar los muñones del eje o dañar la caja de engranajes del motor primario o las palas de la turbina. Un caso documentado en un informe del IEEE describió cómo un transformador elevador de generador falló después de un cierre desfasado de 180°: el primer evento de desincronización debilitó el aislamiento y un segundo destruyó el transformador por completo. Esto ilustra cómo incluso si el sistema sobrevive a una mala sincronización, el daño latente puede causar una falla más tarde.
Potencia inversa y disparos por pérdida de campo: Los generadores modernos cuentan con relés de protección que detectan condiciones anormales, como el flujo de potencia hacia el generador (potencia inversa) o la pérdida de excitación. Cuando la sincronización es deficiente, el generador puede actuar momentáneamente como un motor (consumiendo energía del sistema en lugar de suministrarla) debido a un retraso en la fase. Esto activa la protección contra potencia inversa, que desconecta el generador para proteger el motor principal (por ejemplo, para evitar que un motor diésel funcione como motor). De igual manera, si el voltaje del generador es bajo en comparación con el sistema, puede producirse una gran entrada reactiva y el regulador automático de voltaje del generador puede saturarse al intentar compensarlo. La entrada repentina de var puede simular una condición de “pérdida de campo”, lo que provoca el disparo del relé de pérdida de campo. Estos disparos de protección apagan el generador, lo que significa que el intento de sincronización falla y el generador se desconecta por seguridad. Mientras se protege el equipo, la instalación pierde la contribución del generador hasta que pueda reiniciarse y reiniciarse, lo que podría significar una pérdida parcial de energía en un momento crítico.
Estrés en los equipos eléctricos: Los transformadores que conectan generadores a cuadros de distribución, contactos de interruptores, barras colectoras y otros dispositivos conectados experimentan un estrés significativo durante eventos de desincronización. El estrés dieléctrico en los devanados del transformador debido a saltos repentinos de fase puede degradar el aislamiento. Como se mencionó, el transformador elevador (GSU) de un generador puede fallar si se somete a cierres desfasados. Los cuadros de distribución pueden experimentar un calentamiento rápido y fuerzas mecánicas. Incluso los propios devanados del generador experimentan enormes corrientes transitorias que generan fuerzas mecánicas entre las bobinas (que intentan repelerse o atraerse debido a la sobretensión repentina). Todos estos efectos reducen la vida útil del equipo.
Perturbación en todo el sistema: Una conexión mal sincronizada puede provocar una caída de tensión o una oscilación de frecuencia en el sistema eléctrico general. Por ejemplo, si un generador grande se conecta desfasado en una red regional (en el caso de una central eléctrica), puede causar una fluctuación momentánea en la frecuencia de la red o desequilibrar ligeramente otras máquinas. Normalmente, la red es robusta y la absorberá, pero en un sistema más débil (como una microrred aislada), esto podría incluso provocar la activación de otros generadores o la caída de una parte del sistema. Por lo tanto, un error de sincronización podría provocar un fallo en cascada en un sistema eléctrico pequeño.
En resumen, el costo de una sincronización incorrecta varía desde disparos intempestivos (en el mejor de los casos) hasta daños catastróficos (en el peor de los casos). Por eso, los sistemas modernos priorizan tanto los enclavamientos, las comprobaciones de relés y el control automatizado para garantizar que la sincronización se realice correctamente en todo momento. Es mucho mejor contar con un relé de comprobación de sincronismo que evite un cierre (forzando un reintento) que tener un cierre desincronizado. Además, muchos sistemas registran los intentos de sincronización y cualquier discrepancia, de modo que cualquier problema en el proceso pueda corregirse antes de que provoque daños en el equipo.
Preguntas frecuentes sobre la sincronización del generador
P1. ¿Es posible sincronizar en paralelo generadores de distintos tamaños o marcas?
Sí, es posible sincronizar y conectar en paralelo generadores de diferentes tamaños o fabricantes, siempre que sus parámetros eléctricos coincidan y cuenten con sistemas de control de voltaje y regulación compatibles. En la práctica, los generadores necesitan reguladores que compartan la carga (a menudo mediante un ajuste de caída de frecuencia) y reguladores de voltaje que compartan la carga reactiva. La secuencia de fases debe ser la misma y la tensión/frecuencia deben coincidir antes del cierre, independientemente de las diferencias de tamaño. Un factor clave es la distribución de la carga: tras la sincronización, un generador más pequeño asumirá proporcionalmente menos carga que uno más grande si ambos tienen las mismas características de caída de frecuencia. Por ejemplo, si se conectan en paralelo una unidad de 500 kW y una de 250 kW, la unidad más pequeña podría soportar aproximadamente un tercio de la carga total (según la configuración), ya que si intenta superar su capacidad, su caída de frecuencia la ralentizará ligeramente y la unidad más grande asumirá, por naturaleza, una mayor carga. Siempre que los ajustes de protección y los controladores estén configurados correctamente, los grupos electrógenos de capacidad mixta pueden operar juntos. Muchos proveedores ofrecen soluciones propietarias para conectar en paralelo generadores disímiles. Es importante tener en cuenta que conjuntos con muy poca compatibilidad (como una turbina de 2 MW y un generador de 50 kW) podrían no ser prácticos para operar en paralelo debido a problemas de estabilidad, pero a rangos medios se utiliza en muchos diseños de microrredes y sistemas de reserva.
P2. ¿Cómo comparten la carga los generadores en paralelo una vez sincronizados (caída vs. isócrono)?
Una vez que los generadores están sincronizados, la distribución de carga se rige por sus modos de control. El control de caída es el método más común: el regulador de cada generador se configura de modo que su punto de ajuste de velocidad caiga ligeramente a medida que aumenta la carga, lo que significa que si un generador comienza a transportar más carga, su frecuencia tiende a caer, lo que hace que retroceda, mientras que la otra unidad ve un ligero aumento de frecuencia y aumenta la salida, lo que resulta en un equilibrio donde la salida de potencia se divide. En el modo de caída, ningún generador controla rígidamente la frecuencia del sistema; en cambio, la frecuencia será un poco más baja a plena carga que sin carga (por ejemplo, una caída del 4% significa que a plena carga la frecuencia podría ser un 4% inferior a la nominal si estuviera sola). Cuando varias unidades funcionan en caída, inherentemente dividen la carga en función de su capacidad y configuración de caída. El control isócrono , por otro lado, significa que el regulador intentará mantener el motor a una velocidad fija independientemente de la carga, lo que en un sistema paralelo normalmente causaría conflicto (solo una unidad puede controlar realmente la frecuencia). Por lo tanto, generalmente solo un generador (o un dispositivo externo) está en modo isócrono a la vez para establecer la frecuencia para el grupo, mientras que todos los demás funcionan en caída. Por ejemplo, en una microrred aislada, puede designar un generador como el “swing” o maestro en modo isócrono (manteniendo exactamente 60 Hz) y el resto en modo de caída para que sigan y compartan la carga. En la operación en paralelo a la red, la red misma dicta la frecuencia, por lo que todos los generadores funcionan en modo de caída para compartir la carga de acuerdo con sus características de caída. Una lógica similar se aplica en el lado de la potencia reactiva con la caída del AVR (también llamada caída de voltaje o control del factor de potencia) para compartir kVAR. En resumen, la sincronización pone las máquinas en paralelo, y los ajustes de caída aseguran un reparto de carga proporcional estable , mientras que el modo isócrono se usa con moderación (generalmente una unidad a la vez) cuando la frecuencia de un sistema aislado debe mantenerse estrictamente.
P3. ¿Qué pasa si la secuencia de fases (rotación) es incorrecta al intentar sincronizar generadores?
Si la rotación de fase del generador entrante no coincide con la del sistema, es imposible sincronizar hasta que se corrija. La secuencia de fases (p. ej., rotación ABC vs. ACB) determina el orden en que las tres tensiones de fase alcanzan sus picos. Si un generador gira en orden de fase inverso, conectarlo sin corrección equivaldría a interconectar las fases, lo que provocaría una falla grave. Las señales de una secuencia de fases incorrecta durante un intento de sincronización incluyen que las lámparas de sincronización no se apaguen todas a la vez (pueden apagarse una tras otra en un patrón rotatorio) o que un sincronoscopio gire rápidamente fuera de escala (si está mal conectado). La solución consiste simplemente en cambiar el cableado: intercambie dos cables cualesquiera de la salida del generador (por ejemplo, intercambie los cables B y C del generador) para que la rotación coincida con la del bus. Esto se suele verificar durante la puesta en servicio con un medidor de rotación de fase o mediante una prueba de método de lámpara antes de intentar cualquier sincronización. Los sistemas digitales modernos también pueden detectar desajustes en la rotación de fase y generar una alarma. En la práctica, una vez corregida la secuencia de fases, se puede llevar a cabo el procedimiento de sincronización normal. Se trata de un problema de configuración único por máquina. Todos los generadores que vayan a funcionar en paralelo deben estar cableados de forma coherente para que sus secuencias de fase sean las mismas en relación con sus interruptores y barras colectoras.
P4. ¿Qué relés de protección intervienen en la sincronización y el paralelismo del generador?
Varios relés de protección garantizan que la sincronización y el funcionamiento en paralelo no dañen a los generadores ni al sistema. El principal es el relé de comprobación de sincronismo (dispositivo 25) , que monitoriza dos tensiones (generador y barra) y permite el cierre del interruptor solo si se encuentran dentro de las diferencias preestablecidas de ángulo de fase, frecuencia y tensión. En esencia, es una protección contra el cierre desincronizado; incluso si un operador intenta cerrar por error o si falla un sistema automático, este relé debería evitar un cierre defectuoso. Otro elemento importante es el relé de potencia inversa (dispositivo 32) . Cuando los generadores están en paralelo, un relé de potencia inversa monitoriza si la potencia fluye hacia la máquina (lo que podría ocurrir si falla un motor primario o si la unidad está en marcha). Si un generador se desconecta pero sigue conectado, puede consumir energía de los demás o de la red, actuando como un motor. El relé de potencia inversa lo detecta y abre el interruptor para desconectar la unidad, protegiendo así el motor o la turbina de ser accionados (por ejemplo, para evitar que un generador diésel se motorice, lo que podría dañarlo). Un relé relacionado es el de pérdida de campo (Dispositivo 40) o un limitador de subexcitación; si falla la excitación de un generador, puede desincronizarse o absorber un exceso de potencia reactiva del sistema. Por lo tanto, este relé disparará la unidad para evitar inestabilidad o daños en el rotor. Los relés de sobrecorriente y diferencial (50/51, 87) protegen contra cortocircuitos o errores como una conexión de fase incorrecta. Actúan si, por ejemplo, un intento de sincronización falla demasiado y causa un cortocircuito. Por último, los controladores de generadores modernos suelen incluir un autosincronizador integrado y una alarma de desajuste de fase : si después de cierto tiempo la unidad no puede sincronizar, se activa una alarma para solicitar la intervención del operador. Todas estas protecciones trabajan juntas para hacer que las operaciones en paralelo sean seguras y aislar cualquier generador que no se esté comportando correctamente en la red.
P5. ¿Qué sucede si un generador se conecta a la red eléctrica desfasado por error?
Esta es una situación peligrosa que todo operador intenta evitar. Si un generador se conecta desfasado a la red (es decir, si el interruptor se cierra cuando la diferencia de ángulo de fase es grande, digamos decenas de grados o incluso 180°), el resultado es un transitorio muy grande. El generador experimentará una violenta sobretensión al sincronizarse forzosamente con la red. Inmediatamente, fluye una enorme corriente para corregir la discrepancia; este pico de corriente puede ser varias veces superior a la capacidad nominal del generador. Los relés de protección deben actuar en una fracción de segundo para desconectar el generador (por ejemplo, la corriente repentina podría generar una sobrecorriente instantánea, o la inversión abrupta del flujo de potencia podría activar el relé de potencia inversa). La red, al ser una fuente mucho mayor, apenas notará el incidente más allá de un parpadeo, pero el generador probablemente sufrirá daños. Los cierres desfasados pueden doblar los ejes del rotor, dañar los pernos de acoplamiento y provocar una descarga en los devanados del generador. En el peor de los casos, se producen daños importantes (como se mencionó anteriormente, en tales casos, los transformadores han explotado y los rotores de los generadores han resultado dañados). Si el generador, por alguna razón, permanece conectado, oscilará con la red hasta que se alinee o se dispare. Estas oscilaciones se manifiestan como vibraciones mecánicas y fluctuaciones de la tensión eléctrica. Sin embargo, normalmente, las protecciones lo desactivan rápidamente. Siempre que se produzca una mala sincronización, la unidad debe inspeccionarse minuciosamente para detectar daños antes de volver a utilizarse. De ahí la importancia de los relés de comprobación de sincronización y la capacitación adecuada; es un error que conviene eliminar del diseño del sistema, ya que las consecuencias son graves y costosas.
Al comprender los principios y métodos de sincronización de generadores, los ingenieros pueden diseñar y operar sistemas de energía que incorporen múltiples fuentes de forma segura. Ya se trate de dos generadores diésel que se respaldan mutuamente en un hospital o de un gran generador de turbina conectado a la red nacional, los fundamentos siguen siendo los mismos: igualar el voltaje, la frecuencia y la fase, verificar todo dos veces y, solo entonces, cerrar el interruptor . Seguir estas reglas y utilizar el equipo adecuado (sincroscopios, sincronizadores automáticos y relés de protección) garantiza un funcionamiento fluido y fiable del sistema de energía para aplicaciones de generadores industriales y comerciales. La sincronización correcta de los generadores no es solo una formalidad técnica, sino una práctica crucial que permite la flexibilidad y la resiliencia de los sistemas de energía modernos.
